[发明专利]非隔离的AC到DC功率器件

说明书

技术领域

本发明涉及用于从相对高电压交流电(AC)中提供相对低电压直流电(DC)的电源电路。

背景技术

许多小家电具有由小的低功率微处理器驱动的、以LED和LCD读出为特征、并且通过三端双向可控硅开关控制或继电器控制诸如电机、加热器等的电子功能的触摸板用户界面。常见示例包括烤箱、咖啡机和搅拌器，但也存在用于消费者和工业的许多其他此类设备。

通常控制像烤箱烧烤加热元件的高功率功能的这些用户界面和控制电路都使用很小的功率。它们很少完全被切断，而取而代之处于空闲状态，其中微控制器等待检测来自用户的命令。

在大多数实例中，这些内部电子控制电路不与AC干线电源电隔离，而是依赖于用户界面的物理隔离。根据配置，电子器件没有理由被真地隔离，因为不存在直接接入，即使它们跑掉(run off)例如低3.3V或5V供应。

类似地，另一非隔离功率应用是用于低功率LED照明。夜灯使用小电源来驱动传感器和一个或多个低功率LED。高功率应急照明可利用被“涓流”充电的电池以在AC可用时间期间维持其电荷，但可在AC关闭短周期时(诸如在停电期间)使用电池电源来提供明亮照明。

这些都是消耗少量的低电压功率(在用户界面的情况中常常小于0.5W左右以及在照明器件的情况中每LED小于大约150mW)的电子设备的示例。将来自高压AC的功率提供至这些设备在过去已使用四种主要类型的电源---电阻式下电路器(dropper)、电容式下电路器、线性变压器电路和开关式电源。

电阻式下电路器电路非常简单并且提供低电平的DC电流。图1示出了示例性电阻式下电路器电路。此处，输入AC使其电压通过包括电阻Rd的分压器进行降低。所得的低电压AC由桥接电路102进行整流，并且经整流的输出通过存储电容器Cres和调节器二极管Dreg的组合进行平滑以提供低电压DC输出电压V输出。此电路是非常低效的，其需要大功率电阻器Rd并且需要分流调节级(Dreg)来吸收过量电流。

例如，如图2所示，电容式下电路器电路用大电容器Cd来代替功率电阻器Rd以从AC中供应电流。因为电容器Cd是无功器件，在电容器中没有消耗功率，所以电容式下电路器比电阻式下电路器更高效。然而，电流源是未经调节的，因此其仍然需要分流调节级(Dreg)来吸收过量电流。因此，该电路总是消耗负载所需的最大功率，使得在负载消耗比峰值低的功率时，并且在使用比规定最小输入AC电压高的AC电压时，该电路非常低效。

通过使用如图3所示的线性变压器T1，AC电压可被降低至低电平，并且接着被整流(通过二极管D1、D2、D3和D4的低电压桥接电路)并被平滑。随后通过调节器302调节输出电压以消除由于负载和AC电压变化引起的变化。此电路简单并且仅消耗由负载所使用的功率(即，没有必要分流过量电流)。然而，归因于变压器铁心中的损耗，线性变压器即使在无负载情况下仍耗散功率。此外，变压器还是相对大且昂贵的部件。

高频开关电源可以是相当有效的，但实现昂贵、复杂、并且通常需要相当大的技能来实现正确的操作和满足射频干扰要求。图4示出了使用开关模式电源(SMPS)402的示例性布置。此处，404是为SMPS 402提供控制输入的反馈网络。部件D1、C1、D2、C2和L1示出了SMPS的典型的输入和输出电路。SMPS的操作的基础是以高频率不断地切换，从而将少量能量存储在电感器中，并且将此能量转移至负载。通过控制切换的占空比，从而调制存储在电感器中的能量(即，接通时间与关机时间的比率)来改变输出电压。

虽然这些方法各自提供从高压AC干线电源得到低压电源的手段，然而每个具有显著的缺点，诸如低效率、大覆盖范围、昂贵的部件、和/或实现的困难。因此，提供一种改进的供电方法将是本领域中的进步。

发明内容